Appunti di geotecnica

Nicola Genuin, mat. N° 186691

Nel seguente documento si è voluto riassumere, quanto più concisamente possibile, tutta la teoria

riguardante il corso di Elementi di Geotecnica, sostenuto dalla Professoressa Pozzato Annarita per il corso di

Laurea in Ingegneria Civile, curriculum professionalizzante, terzo anno. Sono riportati in corsivo, all’inizio di

ogni modulo come definito dalla docente, i relativi punti del syllabus del corso, che individuano brevemente

gli argomenti che verranno trattati nelle pagine successive. Alla fine di ogni modulo si propone un riquadro

contenente alcune domande poste durante gli esami orali dell’Anno Accademico 2018/2019.

Sommario

Introduzione ...................................................................................................................................................... 2

Formazione e natura dei terreni........................................................................................................................ 3

Compattazione dei terreni ............................................................................................................................ 3

Descrizione e classificazione dei terreni ........................................................................................................ 7

Formazione delle terre e delle rocce ........................................................................................................... 12

Domande d’esame ................................................................................................................................... 12

Studio del comportamento meccanico dei materiali geotecnici .................................................................... 13

Accoppiamenti meccanici e modello di Mohr ............................................................................................. 13

Modello dei continui sovrapposti ................................................................................................................ 19

Permeabilità dei terreni............................................................................................................................... 21

Tensioni litostatiche .................................................................................................................................... 24

Domande d’esame ................................................................................................................................... 26

Equazioni di equilibrio ed equazioni di continuità .......................................................................................... 26

Domande d’esame ................................................................................................................................... 29

Deformazione e filtrazione monodimensionale .............................................................................................. 29

Filtrazione monodimensionale .................................................................................................................... 29

Compressibilità monodimensionale e consolidazione primaria ................................................................. 31

Carico in condizioni non drenate e consolidazione ..................................................................................... 35

Filtrazione piana .......................................................................................................................................... 40

Domande d’esame ................................................................................................................................... 44

Modellazione del comportamento meccanico dei materiali geotecnici ......................................................... 45

Criterio di resistenza e contributo della dilatanza....................................................................................... 45

Resistenza dei terreni .................................................................................................................................. 47

Domande d’esame ................................................................................................................................... 48

Resistenza al taglio .......................................................................................................................................... 48

Domande d’esame ................................................................................................................................... 53

Indagini e prove in sito .................................................................................................................................... 54

Domande d’esame ................................................................................................................................... 60

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Nicola Genuin, mat. N° 186691

Introduzione

L’ingegneria geotecnica studia i problemi che si pongono all’ingegnere per impostare permanentemente o

temporaneamente le opere sul suolo o nel sottosuolo o per l’impiego dei terreni e delle rocce come materiali

per la costruzione di rilevati, argini, colmante, dighe di materiali sciolti. Per raggiungere lo scopo l’ingegnere

geotecnico può operare secondo quattro direttrici:

1. Sulle azioni esterne, come quando, per difendere il suolo, si tende a regolare i deflussi superficiali,

ad effettuare sistemazioni idraulico-forestali ed idraulico-agrarie, a contenere l’azione aggressiva

delle onde marine sui litorali con opportune opere di difesa.

2. Sul manufatto, se esiste o è previsto, proporzionandone struttura, forma, dimensioni, affinché esso

presenti le necessarie doti di funzionalità e risponda alle finalità del committente.

3. Sulla geometria del corpo di terra che interessa come nel caso di una pendice, il cui profilo può

modificarsi con rilevati al piede o riduzioni in sommità.

4. Sulle proprietà dei terreni, modificandole globalmente o punto per punto con interventi speciali di

consolidamento, impermeabilizzazione, drenaggio, ancoraggio.

L’ingegneria geotecnica tratta la progettazione di opere quali fondazioni (superficiali o profonde), pendii

(naturali o artificiali), opere di sostegno (muri, paratie), costruzioni di terra (rilevati stradali e ferroviari, dighe)

o costruzioni in sotterraneo (gallerie, pozzi, ecc.). Opere ed elementi strutturali devono essere progettati,

eseguiti, collaudati e soggetti e manutenzione in modo tale da consentirne la prevista utilizzazione, in forma

economicamente sostenibile e con livello di sicurezza previsto dalle Norme Tecniche sulle Costruzioni. La

sicurezza e le prestazioni devono essere valutate in relazione agli stati limite (metodo semiprobabilistico) che

si possono verificare dorante la vita nominale. Uno stato limite è una condizione superata la quale la struttura

non soddisfa più le esigenze per le quali è stata progettata; il superamento di uno stato limite ultimo ha

carattere irreversibile e si definisce collasso, mentre il superamento di uno stato limite di esercizio può avere

carattere reversibile o irreversibile. Una verifica allo SLU garantisce rispetto alla rottura, mentre una verifica

allo SLE garantisce rispetto a deformazioni eccessive.

I geomateriali sono estremamente complessi, formati da materiale discreto, trifase (solido, aria, acqua),

eterogeneo (non omogeneo, ovvero le caratteristiche non sono uguali in ogni punto), anisotropo (le

caratteristiche variano in funzione della direzione) ed elastico non-lineare oppure plastico. Tutto questo

converge nella conseguenza che il singolo geomateriale non possiede una relazione sforzi-deformazioni

lineare unica. Inoltre, il comportamento dipende da carichi, tempo e ambiente.

Qualora si renda necessario effettuare sondaggi o scavi esplorativi, nascono delle incognite circa il numero

di questi, la posizione, la profondità, la tipologia (a carotaggio o a distruzione), la tecnica (a secco, con

circolazione di acqua o di fango bentonitico) e circa la necessità o meno di prelevare campioni durante il

sondaggio, o ancora di eseguire prove in foro, da quantificare e determinare.

La geologia studia il terreno a grande scala ed esegue analisi essenzialmente di tipo qualitativo; ha un ruolo

fondamentale nella pianificazione delle indagini geotecniche, nel riconoscimento dei materiali e nella

definizione della geometria del sottosuolo. Grazie ai prodotti della geologia, quali carte geologiche o

topografiche, rilievi geologici di superficie (geomorfologia) e indagini eseguite in passato su zone di interesse,

è sensato avanzare all’occorrenza delle ipotesi sul sottosuolo relative alla successione stratigrafica, alla

situazione tettonica o ancora ipotesi sulle formazioni del sottosuolo.

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In sintesi, nell’ingegneria geotecnica, si studia il suolo essenzialmente a piccola scala e si esegue un’analisi di

tipo quantitativo; si definisce in seguito lo schema di calcolo, ovvero il modello geotecnico del sottosuolo

(geometria, materiali e caratteristiche meccaniche) che è a tutti gli effetti parte integrante della

progettazione ed è compito del Progettista. Scegliere un modello geotecnico teorico comporta delle

incertezze derivanti dalla modellazione teorica e dalla complessità dei terreni, ed è conseguente alla

schematizzazione e alla semplificazione della realtà fisica; altri fattori che originano incertezze possono

essere la variabilità intrinseca dei terreni, dovuta prevalentemente a processi geologici e geomorfologici

naturali che agiscono su volumi di terreno, gli errori di misura e le incertezze di trasformazione, queste ultime

dovute al passaggio da proprietà geotecnica a stima mediante altre grandezze, per mezzo di modelli empirici

o correlazioni di altro genere.

Le proprietà dei terreni possono essere determinate tramite prove in laboratorio oppure in sito, che vanno

opportunamente pianificate in base allo scopo e alle caratteristiche da ricercare. Un indice di correttezza dei

valori può essere dato dalla comparazione con terreni “simili”, il che rende necessaria una classificazione

geotecnica dei terreni, che includa proprietà facili da determinare e che siano correlate al comportamento

meccanico del terreno. L’esame dei terreni e la loro classificazione saranno oggetto del primo modulo.

Formazione e natura dei terreni

LO1.1 – Studio della formazione dei terreni e della natura del terreno, a partire dai singoli grani che formano

un elemento di terreno, ad un insieme di grani e quindi ad un insieme di grani con acqua.

Compattazione dei terreni

In alcune applicazioni ingegneristiche, può manifestarsi talvolta la necessità di migliorare le caratteristiche

del terreno, sia nelle sue condizioni naturali in sito, sia quando esso è impiegato come materiale da

costruzione (rilevati per il contenimento dell’acqua come dighe di terra, argini, rilevati stradali e ferroviari,

terrapieni a protezione dalla caduta massi, ecc.). Sull’ingegnere ricade così il compito di adattare la soluzione

progettuale alle caratteristiche del sito o, in alternativa, quello di migliorare le caratteristiche meccaniche del

terreno. Ad esempio, una massicciata in macadam sono pavimentazioni costruite da una stesa di pietrisco, i

cui elementi venivano in passato legati da detriti di rocce calcaree, che appoggiavano su una fondazione di

pietrame, costituita da scampoli di cava: era la tipica massicciata in macadam all’acqua, compattata da rulli

da 14 tonnellate (con riduzione dei vuoti dal 40% iniziale al 15-25% finale) e con superficie di rotolamento in

terra che successivamente venne impermeabilizzata con trattamenti superficiali dello spessore di 3

centimetri aventi lo scopo di rimedio antipolvere e di miglioramento delle caratteristiche superficiali. Ne

esistono anche di tipo diverso, ad esempio a penetrazione, in cui si fa penetrare il legante (bitume) tra i vuoti

del pietrisco per tutto lo spessore dello strato.

Gli obiettivi del costipamento possono essere un aumento della capacità portante di una struttura stradale,

oppure una riduzione dei cedimenti e protezione dalla azione del gelo (ad esempio nel caso di interro di

tubazioni), o ancora un aumento della resistenza con riduzione della permeabilità (come nel caso di terreno

a riempimento a ridosso di una struttura verticale di contenimento). Ad esempio, un rilevato stradale si

realizza con il riporto di un terreno opportunamente costipato, realizzando sul sottofondo una struttura

portante con la funzione di mantenere stabile lo strato superficiale e ripartire in modo uniforme al sottofondo

le sollecitazioni dovute al traffico, per poi concludere l’opera con uno strato superficiale di conglomerato

bituminoso. Il principale problema di questo tipo di opere è rappresentato dai cedimenti, in genere

proporzionali all’altezza del rilevato in condizioni di corretto consolidamento; questo può essere effettuato

con diverse tecniche: 3

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1. Rilevato alleggerito, con la sostituzione di parte del rilevato con materiali più leggeri, come tubi di

acciaio, argilla espansa, EPS, frammenti di pneumatici, e così via

2. Colonne di ghiaia o sabbia, che assolvono alla duplice funzione di irrigidire il terreno e di accelerare

il fenomeno della consolidazione grazie alla loro capacità drenante, e vengono generalmente

realizzate mediante una sonda vibrante che penetra nel terreno assodando il terreno circostante.

3. Pali di fondazione, in genere pali battuti, che migliorano la funzione di trasferimento dei carichi agli

strati più profondi mediante addensamento dei terreni circostanti. Una alternativa sono i pali a elica

continua.

4. Parziale o totale sostituzione del terreno di fondazione, per ottenere migliori prestazioni previa

corretta scelta del materiale di riporto.

5. Miscelazione profonda meccanica del terreno con calce e/o cemento attraverso l’azione di una

trivella dotata di pale rotanti. Può interessare tutto il corpo delle fondazioni, oppure essere realizzata

a setti o a colonna, con diametri generalmente compresi fra 400 e 800 millimetri e profondità fino a

15 metri.

In cantiere, o in sito, la compattazione può essere eseguita attraverso diverse tecniche, con attrezzature che

agiscono sulle terre con azioni di tipo statico o dinamico (a volte impulsive), trasmettendo azioni meccaniche

di compressione e/o taglio per le prime e di urto o vibrazione per le seconde. Le tecniche di miglioramento

possono essere di più tipi:

1. Meccanico: consistono nel trasferire al terreno, secondo differenti modalità, energia meccanica; si

distinguono:

a. Vibroflottazione: viene inflitto un maglio vibrante nel terreno, il quale subisce una azione

compattante portata dalle vibrazioni del maglio, insieme all’immissione di acqua e,

all’occorrenza, all’aggiunta di nuovo geomateriale. Il maglio viene fatto penetrare fino alla

profondità di progetto e quindi viene estratto, lasciando una colonna di geomateriale di

apporto. Questa tecnica consente di raggiungere profondità di 30-40 metri, con diametri

compresi fra i 2 e i 4 metri; è adatta a terreni incoerenti con percentuale fine minore del

20%, è rapida e non eccessivamente costosa, ma inadatta ad interventi in zone urbane.

b. Compattazione dinamica: effettuata per caduta libera di una massa costituita da un blocco

di cls oppure da una serie di piastre d’acciaio imbullonate tra loro, o ancora da un guscio di

acciaio riempito di cls o sabbia. L’altezza di caduta è compresa fra 7 e 40 metri, la massa

fra 15 e 200 tonnellate e la profondità del trattamento è proporzionale a questi due valori

= (0.65 ÷ 0.80)√.

secondo la relazione Gli effetti della compattazione raggiungono

i 30 metri di profondità, e la tecnica è adatta a terreni incoerenti sciolti anche con fini (da

limi plastici a geomateriali grossolani), ma presenta problemi di incremento delle pressioni

interstiziali in terreni fini saturi, oltre che problemi applicativi in ambiti urbani. Dev’essere

disposto un campo prova dove valutare l’effetto della tecnica e individuare la procedura

ottimale, valutando parametri come il numero di colpi e l’energia d’impatto, eseguendo la

prova in un’impronta prestabilita, misurando quote e volumi relativi all’impronta e ai volumi

spostati (si considerino i possibili rigonfiamenti e cedimenti nelle aree immediatamente

adiacenti all’impronta). È possibile realizzare anche una curva che mostri le relazioni fra

volume e numero di colpi, dove individuare il numero di colpi ottimale oltre il quale non si

ottengono più guadagni significativi.

c. Compattazione statica, la classica e più semplice utilizzata ad esempio per la realizzazione

della struttura portante dei rilevati stradali, effettuata con rulli lisci, gommati o a punte

(effetti normalmente intorno ai 20 centimetri di profondità, massimo fino a 50) o con

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martelli pneumatici a piede di montone (da 40 a 100 centimetri), e si adatta a terreni a grana

fine.

d. Compattazione ad azione combinata, eseguita ad esempio da rulli lisci muniti di massa

vibrante interna, o piastre vibranti. Al giorno d’oggi lo sviluppo di questi macchinari con

sistemi come il Variocontrol su rulli lisci, che consente di impostare direzione principale,

frequenza e ampiezza della vibrazione, permette di controllare la profondità di azione e di

ottimizzare ad esempio in numero di passaggi sul terreno.

2. Chimico: consistono dell’immettere, lentamente e a pressione una miscela trifase (cemento, acqua

e sabbia) in terreni granulari, ad esempio per la realizzazione di sottofondazioni. In particolare, la

tecnica del bio grouting mira a stabilizzare le sabbie tramite precipitazione di carbonato di calcio

(CaCo ) tra i grani della sabbia: si formano dei ponti tra un granulo e quelli adiacenti e si utilizzano

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batteri iniettati nel terreno e alimentati da una miscela di urea e cloruro di calcio (CaCl ).

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3. Basate sull’induzione di fenomeni di natura termica o elettrica: viene applicata una differenza di

potenziale (fra 50 e 150 volt) tra anodo e catodo che provoca un processo di migrazione dell’acqua

con velocità fra 30 e 45 cm/ora, che viene successivame